通過超精密原子鐘網路探測暗物質

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編譯：艾宇熙

校譯：徐鵬暉

編排：黃卓爾

研究者們認為，暗物質占宇宙總物質量的六分之五左右。波蘭哥白尼大學的物理學家Piotr Wcis?o在近期採訪中告訴我們，恆星和星系受到的引力作用可以通過暗物質的存在來解釋，但暗物質的本質究竟是什麼始終是一個未解之謎。迄今為止，即便是最強大的原子對撞機也無法解決這一問題。

科學家們已經排除了暗物質是任何已知粒子的可能性。還剩下的一種可能假設就是，暗物質由一種未知粒子構成；另一種可能假設是暗物質不是由粒子構成的，而是一種對空間施加類似引力場作用的場。

先前的研究表明，如果暗物質是一種場，那麼它其中可能產生的結構——即點、線、面狀的「拓撲缺陷」可能達到星球大小的尺度。這些結構可能是在宇宙大爆炸後初期形成的，在早期宇宙逐漸冷卻下來的過程中被固定下來。

現在，科學家們在通過尋找原子鐘的擾動檢測暗物質場。原子鐘可能是人類迄今為止製造的最為精密的科學儀器之一，它通過原子的振動測定時間。目前的原子鐘的測時精度可達每150億年僅有1秒誤差，而宇宙的年齡僅有138億年。

暗物質場的拓撲缺陷可以使原子鐘走得更快或更慢。如果在較大的空間範圍內布置一個同步原子鐘網路，使得原子鐘之間的間距大過拓撲缺陷的尺度，就有可能在拓撲缺陷干擾到網路中一些原子鐘的時候檢測到不同原子鐘之間測時的差異，從而探測到拓撲缺陷結構的存在，以及這些結構的某些性質，比如大小和速度。

研究者們引入了光學原子鐘，光學原子鐘通過激光束測量原子的運動，而原子的運動在體系降溫至絕對零度附近時會變慢。如果一個拓撲缺陷從原子鐘上穿過，就會改變描述電磁力總效果的精細結構常數，進而改變原子對激光的響應和原子鐘的測時。

對暗物質的另一個可能解釋是，暗物質的效果由隨時間變化的場產生，變化的場導致電磁場強度的規律性漲落。科學家們指出，理論上，原子鐘有助於探測「相干震蕩的經典標量場」。

目前的原子鐘網路位於三大洲的四個國家——美國科羅拉多州、法國、波蘭和日本。這一網路將測定精細結構常數變化的能力比先前的手段提高了100倍。不過到目前為止，他們尚未檢測到任何與暗物質有關的信號。

Wcislo告訴我們，光學原子鐘的一個主要問題是目前它們能持續工作的時間只有一天左右。光學原子鐘需要多個激光束處於同步狀態，而一段時間（比如一天）後，至少有一個激光束就會脫離同步狀態。而Wcislo團隊工作的一大優勢就是他們的原子鐘網路不需要全部的原子鐘同時工作。

科學家們計劃在未來一到兩年內再布置與現在相同數目的原子鐘，新原子鐘網路可以進一步增加測量的靈敏度和測量時間。

相關研究於2018年12月7日在線發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上。

圖片來源自互聯網

責任編輯：王克義

牧夫新媒體編輯部

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圖片來源： Sander Dewerte on Unsplash

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